澎湃新聞記者 秦藝逍
在全球新冠病毒肆虐的背景下，口罩已成為人們生活的一部分。由於醫用口罩屬於一次性用品，不可避免地對環境產生了重大負擔。最近，科學家的一項最新研究成果將口罩與電池聯絡在一起，同時為廢舊口罩回收和電池供應緊缺兩大難題帶來了新思路。
俄羅斯國立科技大學（NUST MISIS）的研究人員與來自美國、墨西哥的同事共同開發了一項新技術，可以利用口罩廢料來生產具有成本效益的超級電容器電池，電池外殼則由藥品吸塑包裝製成。相關研究發表在《儲能雜誌》（Journal of Energy Storage）2022年2月刊。
據瞭解，超級電容器（supercapacitor）是指介於傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。
據2020年的一項研究統計，在新冠病毒開始流行後，地球上每月使用的口罩多達1300億個。這些口罩變成了數以百噸的聚合物廢料，進入垃圾填埋場、海洋和其他環境，或者在被燃燒時釋放出有毒氣體。如何有效回收廢舊口罩已成為科學家們亟需解決的問題。
如今透過這項新技術，僅需採購石墨烯，就可以將口罩、藥品包裝等醫用廢料轉化成輕薄、柔性、低成本的新型電池，在一定程度上實現了資源的可迴圈利用。該團隊研究人員表示，使用廢品作為原材料大幅降低了電池成本，如果需要的話，甚至可以製造成一次性電池。
與傳統的同類產品相比，這種新型電池具有高密度的儲存能量和電容量，重量更輕且成本更低。此前，使用類似技術製造的電池能量密度約為每千克10瓦時（Wh/kg），而這種新型電池的容量已提升至每千克98瓦時。這意味著該電池的能量密度已經接近目前最常見的鋰離子電池，後者的能量密度約為每千克100瓦時至265瓦時。
新型電池的製造步驟如下：首先，使用超聲波對口罩材料進行消毒，浸入由石墨烯製成的“墨水”中，再在壓力下壓制材料，並加熱到140℃，形成導電“顆粒”作為電池的電極。然後，在由新材料製成的兩個電極之間，放置同樣由口罩材料製成的絕緣隔層，再經過特殊電解液浸泡。最後，使用藥品吸塑包裝材料製成的保護殼進行覆蓋。
據該校Anvar Zakhidov教授介紹，傳統的超級電容器電池需要高達1000-1300℃的溫度來進行熱解碳酸化，而新技術將能耗降低了10倍。
此外，研究人員透過在電極上加入CaCo氧化物型別的無機鈣鈦礦奈米粒子進一步改進了電池。此舉使電池能量密度又增加了一倍，達到了每千克208瓦時，實現了每克1706法拉的高電容量，明顯高於未新增石墨烯的最佳碳化電極的電容量（每克1000法拉）。
其中，效能最好的一版超級電容器電池在經過1500次充放電迴圈和10小時以上的長時間放電後，仍保持82%的電容量。
此前，研究人員曾嘗試使用各種多孔天然材料和廢品來製造超級電容器的電極，包括椰子殼、稻殼、報紙廢料、汽車輪胎廢料等。然而，使用這些材料往往需要在特殊熔爐中進行高溫退火（炭化）。由於石墨烯飽和度賦予它們的獨特屬性，口罩被證明是一種更加便宜且易於加工的材料。
目前，該團隊研究出的新型電池可用於時鐘、燈具等家用電器。未來，研究人員計劃將這項新技術應用於電動汽車、太陽能發電站和其他型別的電池生產。
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